DE102005040530B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern eines Ventils - Google Patents

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Manfred Kramel
Heinz Lixl
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Abstract

Ein erster Wert einer elektrischen Größe des Piezoaktors oder ein erster Zeitpunkt wird ermittelt, der einer ersten Laständerung an dem Piezoaktor zugeordnet ist. In einem ersten Betriebsbereich (BB1) wird ein zweiter Wert der elektrischen Größe oder ein zweiter Zeitpunkt ermittelt, der einer zweiten Laständerung an dem Piezoaktor zugeordnet ist. In dem ersten Betriebsbereich (BB1) wird durch entsprechendes Ansteuern des Piezoaktors der ermittelte zweite Wert oder Zeitpunkt auf einen vorgegebenen zweiten Wert bzw. Zeitpunkt geregelt und derjenige ermittelte erste Wert oder Zeitpunkt gespeichert, der sich einstellt, wenn der ermittelte zweite Wert oder Zeitpunkt auf den vorgegebenen zweiten Wert bzw. Zeitpunkt ausgeregelt ist. In einem zweiten Betriebsbereich (BB2) wird durch entsprechendes Ansteuern des Piezoaktors der ermittelte erste Wert oder Zeitpunkt auf einen vorgegebenen ersten Wert bzw. Zeitpunkt geregelt, der abhängig von dem gespeicherten ersten Wert bzw. Zeitpunkt vorgegeben wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Ansteuern eines Ventils, insbesondere eines Einspritzventils zum Zumessen von Fluid, insbesondere von Kraftstoff, für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Das Ventil umfasst einen Piezoaktor, der mit einem Steuerventil koppelbar ist und der abhängig von einer Ansteuerung des Piezoaktors das Steuerventil öffnet oder schließt. Durch das Steuerventil ist ein Fluiddruck in einem Steuerraum des Ventils variierbar. Ferner umfasst das Ventil eine Ventilnadel, die abhängig von dem Fluiddruck in dem Steuerraum aus einer Schließstellung heraus oder in die Schließstellung hinein bewegbar ist. Ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Ansteuern eines Ventils ist beispielsweise durch die DE 101 50 414 A1 und die WO 03/083278 A1 bekannt geworden.
  • Piezoaktoren werden angesteuert durch Zuführen oder Entnehmen einer elektrischen Größe, z.B. einer elektrischen Spannung oder von elektrischer Energie oder elektrischer Ladung. Aufgrund von mechanischen Toleranzen des Ventils und elektromechanischen Toleranzen des Piezoaktors kann eine vorgegebene Ansteuerung von verschiedenen gleichartigen Piezoaktoren zu einem unterschiedlich großen Hub führen. Dadurch sind beispielsweise Öffnungs- und Schließzeiten oder ein Öffnungsgrad von Ventilen unterschiedlich, die durch einen solchen Piezoaktor betätigt werden, und somit kann auch eine zugemessene Fluidmenge variieren.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Ansteuern eines Ventils zu schaffen, das bzw. die ein zuverlässiges Zumessen einer vorgegebenen Fluidmenge ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Ansteuern eines Ventils. Das Ventil umfasst einen Piezoaktor, der mit einem Steuerventil koppelbar ist und der abhängig von einer Ansteuerung des Piezoaktors das Steuerventil öffnet oder schließt. Durch das Steuerventil ist ein Fluiddruck in einem Steuerraum variierbar. Das Ventil umfasst ferner eine Ventilnadel, die abhängig von dem Fluiddruck in dem Steuerraum aus einer Schließstellung heraus oder in die Schließstellung hinein bewegbar ist. Ein erster Wert einer elektrischen Größe des Piezoaktors oder ein erster Zeitpunkt wird ermittelt, der einer ersten Laständerung an dem Piezoaktor zugeordnet ist. Die erste Laständerung ist verursacht durch ein Überwinden eines Leerhubs des Piezoaktors, durch ein Anschlagen eines Schließkörpers des Steuerventils gegen eine Hubbegrenzung des Steuerventils oder ein Ablösen des Schließkörpers von dieser oder durch ein Abheben des Schließkörpers von einem Sitz des Steuerventils oder ein Aufsetzen des Schließkörpers auf diesen. In einem ersten Betriebsbereich wird ein zweiter Wert der elektrischen Größe oder ein zweiter Zeitpunkt ermittelt, der einer zweiten Laständerung an dem Piezoaktor zugeordnet ist. Die zweite Laständerung ist auslösbar durch eine Änderung des Fluiddrucks in dem Steuerraum aufgrund eines Beschleunigens der Ventilnadel. In dem ersten Betriebsbereich wird durch entsprechendes Ansteuern des Piezoaktors der ermittelte zweite Wert oder der ermittelte zweite Zeitpunkt auf einen vorgegebenen zweiten Wert bzw. einen vorgegebenen zweiten Zeitpunkt geregelt. Ferner wird in dem ersten Betriebsbereich derjenige ermittelte erste Wert oder derjenige ermittelte erste Zeitpunkt gespeichert, der sich einstellt, wenn der ermittelte zweite Wert oder der ermittelte zweite Zeitpunkt auf den vorgegebenen zweiten Wert bzw. den vorgegebenen zweiten Zeitpunkt ausgeregelt ist. In einem zweiten Betriebsbereich wird durch entsprechendes Ansteuern des Piezoaktors der ermittelte erste Wert oder der ermittelte erste Zeitpunkt auf einen vorgegebenen ersten Wert bzw. einen vorgegebenen ersten Zeitpunkt geregelt. Der vorgegebene erste Wert bzw. der vorgegebene erste Zeitpunkt wird abhängig von dem gespeicherten ersten Wert bzw. dem gespeicherten ersten Zeitpunkt vorgegeben.
  • Der Vorteil ist, dass das Ventil zum Zumessen einer vorgegebenen Fluidmenge nicht nur in dem ersten Betriebsbereich geregelt betrieben werden kann, in dem der zweite Wert oder der zweite Zeitpunkt erfassbar ist, sondern auch in dem zweiten Betriebsbereich, in dem gegebenenfalls nur der erste Wert oder der erste Zeitpunkt erfassbar ist. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass zum Ansteuern des Piezoaktors des Ventils für ein zuverlässiges Zumessen der vorgegebenen Fluidmenge bekannt sein muss, wann das Ventil z.B. öffnet oder schließt, also wann die Ventilnadel aus ihrer Schließstellung herausbewegt wird bzw. in ihre Schließstellung hinein bewegt wird.
  • Durch das Beschleunigen der Ventilnadel kann eine Änderung des Fluiddrucks in dem Steuerraum des Ventils hervorgerufen werden. Diese Änderung des Fluiddrucks kann bei entsprechender Ausgestaltung des Ventils auf den Piezoaktor einwirken und eine entsprechende Änderung einer elektrischen Größe des Piezoaktors hervorrufen, z.B. einer Spannung oder einer Kapazität des Piezoaktors. Diese Änderung der elektrischen Größe kann genutzt werden, um den zweiten Wert oder den zweiten Zeitpunkt zu ermitteln und auf den vorgegebenen zweiten Wert bzw. vorgegebenen zweiten Zeitpunkt zu regeln.
  • Jedoch kann der zweite Wert oder der zweite Zeitpunkt nicht in jedem Betriebsbereich ermittelt werden. Beispielsweise kann eine Zeitdauer für das Ansteuern des Piezoaktors zu kurz sein. Jedoch kann der erste Wert oder der erste Zeitpunkt ermittelbar sein, so dass eine Regelung des ersten Werts bzw. des ersten Zeitpunkts auf den vorgegebenen ersten Wert bzw. den vorgegebenen ersten Zeitpunkt möglich ist. Aufgrund von mechanischen Toleranzen des Ventils und elektromechanischen Toleranzen des Piezoaktors ist jedoch im Allgemeinen ein Schließen von dem erfassten ersten Wert oder dem erfassten ersten Zeitpunkt auf z.B. das Öffnen oder Schließen des Ventils und somit auf die tatsächlich zugemessene Fluidmenge nicht möglich. Durch das Speichern des erfassten ersten Werts bzw. des erfassten ersten Zeitpunkts in dem ersten Betriebsbereich kann jedoch der vorgegebene erste Wert bzw. der vorgegebene erste Zeitpunkt in dem zweiten Betriebsbereich geeignet vorgegeben werden für das zuverlässige Zumessen der vorgegebenen Fluidmenge.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in dem ersten Betriebsbereich dem ermittelten ersten Wert oder dem ermittelten ersten Zeitpunkt mindestens ein Betriebskennwert zugeordnet, der charakteristisch ist für vorherrschende erste Betriebsbedingungen des Ventils beim Ermitteln des ersten Werts bzw. des ersten Zeitpunkts. Der erste Wert bzw. der erste Zeitpunkt wird zugeordnet zu dem mindestens einen Betriebskennwert gespeichert. In dem zweiten Betriebsbereich wird der vorgegebene erste Wert bzw. der vorgegebene erste Zeitpunkt abhängig von dem mindestens einen Betriebskennwert von aktuell vorherrschenden zweiten Betriebsbedingungen vor gegeben. Dies hat den Vorteil, dass das Zumessen der vorgegebenen Fluidmenge in dem zweiten Betriebsbereich auch für unterschiedliche Betriebsbedingungen zuverlässig möglich ist.
  • In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine Betriebskennwert eine Temperatur oder der Fluiddruck ist. Die Temperatur ist vorzugsweise charakteristisch für eine Temperatur des Ventils und ist z.B. eine Temperatur des Fluids oder eine Temperatur des Piezoaktors. Dies hat den Vorteil, das die Temperatur bzw. der Fluiddruck einfach ermittelbar sind und das Zumessen der vorgegebenen Fluidmenge in dem zweiten Betriebsbereich so besonders zuverlässig erfolgen kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Laständerung verursacht durch ein Verlassen der Schließstellung der Ventilnadel oder durch ein Anschlagen der Ventilnadel gegen eine Hubbegrenzung der Ventilnadel. Dies hat den Vorteil, dass dadurch der zweite Wert oder der zweite Zeitpunkt in dem ersten Betriebsbereich bei geeigneter Ausgestaltung des Ventils zuverlässig ermittelbar ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Ventil mit einer ersten Ausführungsform eines Steuerventils,
  • 2 eine zweite Ausführungsform des Steuerventils,
  • 3A ein Piezoaktor ohne Auslenkung,
  • 3B der Piezoaktor mit einem Leerhub als Auslenkung,
  • 3C der Piezoaktor mit einem zusätzlichen Lasthub als Auslenkung,
  • 4 ein Kapazitäts-Spannungs-Diagramm mit einem Verlauf einer Kapazität des Piezoaktors,
  • 5 ein Spannungs-Zeit-, Strom-Zeit-, Ladungs-Zeit- und Kapazitäts-Zeit-Diagram eines Ansteuerzyklus des Piezoaktors,
  • 6 ein weiteres Spannungs-Zeit-Diagramm und
  • 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern des Ventils.
  • Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Ein Ventil, insbesondere ein Einspritzventil, z.B. für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, umfasst einen Injektorkörper 1 mit einem Fluidzulauf 2 und einem Fluidablauf 3 (1). Der Injektorkörper 1 weist eine Ausnehmung auf, in der ein Steuerkolben 4 angeordnet ist. Der Steuerkolben 4 ist mit einer Ventilnadel 5 gekoppelt. Die Ausnehmung umfasst ferner einen Steuerraum 6, der hydraulisch zwischen dem Fluidzulauf 2 und dem Fluidablauf 3 angeordnet ist.
  • Hydraulisch zwischen dem Steuerraum 6 und dem Fluidablauf 3 ist ein Steuerventil 7 angeordnet. Das Steuerventil 7 umfasst einen Steuerventilkolben 8 mit einem Schließkörper 12 und eine Steuerventilfeder 9. Die Steuerventilfeder 9 ist so angeordnet, dass sie den Steuerventilkolben 8 in eine Schließposition des Steuerventils 7 drückt. In der Schließposition sitzt der Schließkörper 12 auf einem Sitz 13 des Steuerventils 7 auf und ein Fluidfluss zwischen dem Steuerraum 6 und dem Fluidablauf 3 ist somit unterbunden.
  • Das Einspritzventil weist ferner einen Piezoaktor 10 auf, der so angeordnet ist, dass dieser bei einer geeigneten Ansteuerung den Steuerventilkolben 8 gegen eine Federkraft der Steuerventilfeder 9 aus der Schließposition des Steuerventils 7 herausbewegt und das Steuerventil 7 so öffnet. Der Schließkörper 12 hebt dann von dem Sitz 13 des Steuerventils 7 ab und ermöglicht somit den Fluidfluss zwischen dem Steuerraum 6 und dem Fluidablauf 3.
  • Über den Fluidzulauf 2 kann dem Steuerraum 6 ein Fluid, z.B. Dieselkraftstoff, unter hohem Druck zugeführt werden. Der hohe Fluiddruck wirkt bei geschlossenem Steuerventil 7 zusätzlich zu der Federkraft der Steuerventilfeder 9 auf den Steuerventilkolben 8. Der Piezoaktor 10 muss deshalb zum Öffnen des Steuerventils 7 den Steuerventilkolben 8 mit hoher Kraft gegen den hohen Fluiddruck und gegen die Federkraft bewegen. Ist das Steuerventil 7 jedoch geöffnet, dann kann Fluid aus dem Steuerraum 6 über den Fluidablauf 3 abfließen, so dass der Fluiddruck in dem Steuerraum 6 geringer ist. Der Piezoaktor 10 muss dann im Wesentlichen nur noch eine Kraft aufbringen, die der Federkraft der Steuerventilfeder 9 entspricht, um das Steuerventil 7 weiter öffnen oder offen halten zu können.
  • Das Einspritzventil ist mit einer Steuereinheit 11 koppelbar, die auch als eine Vorrichtung zum Ansteuern des Ventils bezeichnet werden kann. Die Steuereinheit 11 ist ausgebildet, dem Piezoaktor 10 eine elektrische Größe zuzuführen oder zu entnehmen. Insbesondere kann dem Piezoaktor 10 eine elektri sche Spannung U, eine elektrische Ladung Q oder elektrische Energie zugeführt oder entnommen werden. Abhängig von einem Ladezustand des Piezoaktors 10, bildet sich über dem Piezoaktor 10 die elektrische Spannung U des Piezoaktors 10 aus. Das Zuführen der elektrischen Größe oder das Entnehmen der elektrischen Größe resultiert in einen elektrischen Strom I. Die dem Piezoaktor 10 zugeführte oder entnommene elektrische Größe kann beispielsweise über eine Zeitdauer gesteuert oder geregelt werden, während der der elektrische Strom I fließt, oder über einen Betrag des elektrischen Stroms I, der während einer vorgegebenen Zeitdauer oder auch variablen Zeitdauer fließt. Die dem Piezoaktor 10 zugeführte oder entnommene elektrische Ladung Q kann z.B. durch zeitliches Integrieren des elektrischen Stroms I ermittelt werden.
  • Das Steuerventil 7 kann auch so ausgebildet sein, dass eine Auslenkung des Piezoaktors 10, die auch als ein Hub bezeichnet werden kann, durch eine Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 begrenzt ist (2). Wenn der Schließkörper 12 auf die Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 trifft, wird der Piezoaktor 10 an einer weiteren Auslenkung in Richtung der Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 gehindert. Das Steuerventil 7 weist dann seinen maximalen Öffnungsgrad auf.
  • Das Steuerventil 7 kann auch anders ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Steuerventil 7 auch eine schaltbare Bypassdrossel umfassen, die geöffnet ist, wenn das Steuerventil 7 geschlossen ist, und die geschlossen ist, wenn das Steuerventil 7 geöffnet ist. Die schaltbare Bypassdrossel koppelt den Steuerraum 6 hydraulisch mit einer hochdruckführenden Kammer oder Zuleitung, die mit dem Fluidzulauf 2 hydraulisch gekoppelt ist. Dadurch kann eine Schließbewegung der Düsennadel 5 durch zusätzlichen Zufluss von Fluid in den Steuerraum 6 beschleunigt sein, wenn die schaltbare Bypassdrossel geöffnet ist.
  • Die Auslenkung des Piezoaktors 10 erfolgt bei einer konstanten Last abhängig von der Spannung U des Piezoaktors 10. 3A zeigt den Piezoaktor 10 mit einer Spannung U des Piezoaktors 10 von 0 V. Der Piezoaktor 10 weist dann z.B. bezogen auf eine Referenzlänge des Piezoaktors 10 keinen Hub auf. Die Piezoaktor 10 und der Steuerventilkolben 8 sind beabstandet zueinander angeordnet. Dieser Abstand wird auch als ein Leerhub IS bezeichnet. Der Piezoaktor 10 muss diesen Leerhub IS überwinden, bevor der Piezoaktor 10 auf den Steuerventilkolben 8 trifft (3B). Dazu wird dem Piezoaktor 10 die elektrische Größe zugeführt. Ist der Piezoaktor 10 so weit ausgelenkt, dass der Leerhub IS gerade überwunden ist, weist der Piezoaktor 10 eine Leerhubspannung U_IS auf. Der Steuerventilkolben 8 übt dann eine Last F_L auf den Piezoaktor 10 aus, die der Auslenkung des Piezoaktors 10 entgegenwirkt. Um den Steuerventilkolben 8 durch weitere Auslenkung aus seiner Position herausbewegen zu können, muss der Piezoaktor 10 eine Kraft F_P des Piezoaktors 10 aufbringen, die mindestens so groß ist wie die Last F_L und die dieser entgegengerichtet ist. Dazu muss dem Piezoaktor 10 die elektrische Größe weiter zugeführt werden. Ist die Kraft F_P des Piezoaktors 10 genügend groß, um die Last F_L überwinden zu können, und wird dem Piezoaktor 10 die elektrische Größe weiter zugeführt, dann wird durch die weitere Auslenkung des Piezoaktors 10 der Steuerventilkolben 8 um einen Lasthub LS axial bewegt (3C). Dies führt zu einem Öffnen des Steuerventils 7 durch Abheben des Schließkörpers 12 von dem Sitz 13 des Steuerventils 7. Bei dem Lasthub LS weist der Piezoaktor 10 eine Lasthubspannung U_LS auf. Gegebenenfalls ist der Lasthub LS durch die Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 begrenzt.
  • Bei einer geeigneten Ausgestaltung des Ventils ist die Last F_L, die auf den Piezoaktor 10 wirkt, wenn der Piezoaktor 10 mit dem Steuerventilkolben 8 gekoppelt ist, abhängig von dem Fluiddruck in dem Steuerraum 6 unterschiedlich groß. Dadurch können Änderungen des Fluiddrucks in dem Steuerraum 6 entsprechende Änderungen der elektrischen Größen des Piezoaktors 10 bewirken. Somit kann die Laständerung an dem Piezoaktor 10 aus mindestens einer der elektrischen Größen des Piezoaktors 10 ermittelt werden, wenn die jeweilige Laständerung genügend groß für deren zuverlässige Erkennung ist. Ein Beschleunigen der Ventilnadel 5 kann über den Steuerkolben 4 eine Änderung des Fluiddrucks in dem Steuerraum 6 hervorrufen, die als Laständerung in mindestens einer der elektrischen Größen des Piezoaktors 10 erkennbar ist, z.B. bei einem Bewegen der Ventilnadel 5 heraus aus ihrer Schließstellung oder bei einem Bewegen der Ventilnadel 5 hinein in ihre Schließstellung oder bei einem Anschlagen der Ventilnadel 5 gegen eine Hubbegrenzung 17 der Ventilnadel 5.
  • 4 zeigt ein Kapazitäts-Spannungs-Diagramm. In dem Kapazitäts-Spannungs-Diagramm ist jeweils ein Verlauf einer Kapazität von fünf verschiedenen Piezoaktoren 10 bezogen auf die elektrische Spannung U des Piezoaktors 10 dargestellt. Der unterschiedliche Verlauf der elektrischen Kapazität C des jeweiligen Piezoaktors 10 beruht auf einer Streuung von Eigenschaften der jeweiligen Piezoaktoren 10, so dass jeder Piezoaktor 10 individuelle Eigenschaften besitzt, die sich z.B. auf die erforderliche elektrische Energie oder elektrische Ladung auswirken, die dem jeweiligen Piezoaktor 10 zum Überwinden der Last F_L bzw. zum Aufbringen der Kraft F_P des Piezoaktors 10 oder zum Erreichen eines gewünschten Hubs bzw. Öffnungsgrads des Steuerventils 7 zugeführt oder entnommen werden muss. Insbesondere kann sich auch nach einer längeren Ruhezeit des Piezoaktors 10 aufgrund einer teilweisen Druckdepolarisation eine Verschiebung der elektrischen Kapazität C zu höheren Kapazitätswerten einstellen, die durch die während des Betriebs zugeführte oder entnommene elektrische Größe und die damit einhergehende elektrischen Polarisation des Piezoaktors 10 wieder abgebaut wird. Für die Leerhubspannung U_IS gilt entsprechendes, da der Piezoaktor 10 bei starker Polarisation mehr Hub pro elektrischer Spannung U erzeugt als bei schwacher Polarisation. Dadurch wird der Leerhub IS entsprechend bei einer geringen bzw. bei einer großen Leerhubspannung U_IS überwunden.
  • Die elektrische Kapazität C des Piezoaktors 10 wird bevorzugt aus der dem Piezoaktor 10 zugeführten oder entnommenen elektrischen Ladung Q und der elektrischen Spannung U des Piezoaktors 10 ermittelt. Die elektrische Ladung Q kann, wie oben bereits beschrieben, durch zeitliches Integrieren des elektrischen Stroms I ermittelt werden. Die so ermittelte elektrische Kapazität C des Piezoaktors 10 entspricht einer Großsignalkapazität des Piezoaktors 10.
  • Dem Piezoaktor 10 kann jedoch auch eine hochfrequente Wechselspannung oder ein hochfrequenter Wechselstrom zugeführt werden. Eine Frequenz der hochfrequenten Wechselspannung oder des hochfrequenten Wechselstroms muss so groß sein, dass diese oberhalb der relevanten mechanischen Resonanzfrequenzen des mechanischen Systems liegt, insbesondere bezüglich der Längsrichtung des Piezoaktors 10. Beispielsweise kann aus dem Quotienten der erzeugten Differenz der Ladung des Piezoaktors 10 und der so erzeugten Differenz der Spannung U des Piezoaktors 10 abhängig von einer Amplitude der hochfrequenten Wechselspannung oder des hochfrequenten Wechselstroms eine Klein signalkapazität des Piezoaktors 10 ermittelt werden. Ebenso kann die Kapazität C des Piezoaktors 10 über eine Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen der hochfrequenten Wechselspannung und dem hochfrequenten Wechselstrom ermittelt werden. Dabei ist es vorteilhaft, die Frequenz der hochfrequenten Wechselspannung bzw. des hochfrequenten Wechselstroms auf eine elektrische Resonanzfrequenz eines elektrischen Messschwingkreises abzustimmen, der den Piezoaktor 10 umfasst.
  • Der jeweilige Verlauf der elektrischen Kapazität C des Piezoaktors 10 weist charakteristische Merkmale auf. Ausgehend von einer geringen Spannung U des Piezoaktors 10 steigt die elektrische Kapazität C des Piezoaktors 10 mit steigender elektrischer Spannung U des Piezoaktors 10 an. Nach dem Überwinden des Leerhubs IS flacht der Verlauf der Kapazität C des Piezoaktors 10 ab oder sinkt. Der Verlauf der Kapazität C des Piezoaktors 10 steigt erst dann wieder mit einer größeren positiven Steigung an, wenn der Piezoaktor 10 mindestens eine Steuerventilöffnungsspannung U_VO aufweist. Der Piezoaktor 10 führt dann den Lasthub LS aus.
  • Weist der Piezoaktor 10 eine elektrische Spannung U des Piezoaktors 10 auf, die zwischen der Leerhubspannung U_IS und der Steuerventilöffnungsspannung U_VO liegt, dann ändert sich die Auslenkung des Piezoaktors 10 innerhalb dieses Spannungsbereichs nur wenig. Die Kraft F_P des Piezoaktors 10 ist dann noch nicht groß genug, um den Steuerventilkolben 8 gegen die Last F_L zu bewegen. Diese Erkenntnis wird genutzt, um abhängig von dem Verlauf der Kapazität C des Piezoaktors 10 eine Änderung der Last F_L zu erkennen, z.B. um das Überwinden des Leerhubs IS oder das Abheben des Schließkörpers 12 von dem Sitz 13 des Steuerventils 7 zu erkennen oder auch das Auftreffen des Schließkörpers 12 auf die Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7. Ferner können abhängig von dem Verlauf der Kapazität C des Piezoaktors 10 jeweils ein Zeitpunkt der Änderung der Last F_L, z.B. ein Zeitpunkt t_IS der Überwindung des Leerhubs IS oder ein Zeitpunkt t_VO des Öffnens des Steuerventils 7, und die jeweils zugeordnete elektrische Größe des Piezoaktors 10 erfasst werden, z.B. die Leerhubspannung U_IS, die Steuerventilöffnungsspannung U_VO, eine Leerhubkapazität C_IS oder eine Steuerventilöffnungskapazität C_VO.
  • Das Auftreffen des Schließkörpers 12 auf die Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 ist in dem Verlauf der Kapazität C des Piezoaktors 10 entsprechend dem Auftreffen des Piezoaktors 10 auf den Steuerventilkolben 8 bei der Leerhubspannung U_IS nach Überwinden des Leerhubs IS zu erkennen. Jedoch steigt die Kapazität C des Piezoaktors 10 nicht weiter an, wenn dem Piezoaktor 10 die elektrische Größe weiter zugeführt wird.
  • Die charakteristischen Punkte in dem Verlauf der Kapazität C des Piezoaktors 10, die sich durch die Änderung der Last F_L des Piezoaktors 10 ergeben, können auf verschiedene Art und Weise ermittelt werden. Beispielsweise kann eine logarithmische Kurve oder eine Kurve maximal zweiter Ordnung, z.B. ein Polynom zweiter Ordnung, an den Verlauf der Kapazität C des Piezoaktors 10 angepasst werden. Aus einer Differenz zwischen der logarithmischen Kurve und dem Verlauf der Kapazität C des Piezoaktors 10 kann dann ein Maximum bzw. ein Minimum ermittelt werden. Das Maximum korreliert beispielsweise mit dem Kontakt zwischen dem Piezoaktor 10 und dem Steuerventilkolben 8 nach dem Überwinden des Leerhubs IS. Entsprechend korreliert das Minimum beispielsweise mit dem Öffnen des Steuerventils 7 bei der Steuerventilöffnungsspannung U_VO. Eine alternative Möglichkeit zum Erkennen des Öffnens des Steuerventils 7 besteht darin, durch zweimaliges Ableiten und gegebe nenfalls anschließendes Filtern des Verlaufs der Kapazität C des Piezoaktors 10 diejenige Position in dem Verlauf der Kapazität C des Piezoaktors 10 zu finden, die eine positive Krümmung aufweist. Diese kann dem Öffnen des Steuerventils 7 zugeordnet werden. Entsprechend kann auch eine negative Krümmung erkannt werden, die die negative Krümmung des Verlaufs der Kapazität C des Piezoaktors 10 in Bereichen ohne Änderung der Last F_L betragsmäßig übersteigt. Eine solche negative Krümmung wird beispielsweise durch das Auftreffen des Piezoaktors 10 auf den Steuerventilkolben 8 bei dem Leerhub IS oder durch das Auftreffen des Schließkörpers 12 auf die Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 verursacht.
  • Durch geeignetes Ansteuern des Piezoaktors 10 können die charakteristischen Merkmale des Verlaufs der elektrischen Kapazität C des Piezoaktors 10 besonders zuverlässig erkennbar sein. Beispielsweise ist es vorteilhaft, den Betrag des Stroms während dem Zuführen oder Entnehmen der elektrischen Größe im Wesentlichen konstant zu halten oder mit einer konstanten Rate zu ändern. Dadurch kann eine Änderung der elektrischen Kapazität C des Piezoaktors 10 durch dessen Auslenkung leichter von der durch die Änderung der elektrischen Ladung unterschieden werden.
  • 5 zeigt zeitliche Verläufe der elektrischen Spannung U, des elektrischen Stroms I, der elektrischen Ladung Q und der elektrischen Kapazität C des Piezoaktors 10 über einen Ansteuerzyklus für das Zumessen des Fluids. Aus den Verläufen der elektrischen Spannung U und der elektrischen Kapazität C können jeweils ein Zeitpunkt t_VL des Anschlags des Schließkörpers 12 an die Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 und ein Zeitpunkt t_VD des Ablösens des Schließkörpers 12 von der Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 ermittelt werden. Somit können das Überwinden des Leerhubs IS des Piezoaktors 10, das Anschlagen des Schließkörpers 12 des Steuerventils 7 gegen die Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 oder das Ablösen des Schließkörpers 12 von dieser oder das Abheben des Schließkörpers 12 von dem Sitz 13 des Steuerventils 7 oder das Aufsetzen des Schließkörpers 12 auf diesen als Laständerung an dem Piezoaktor 10 ermittelt werden.
  • Eine Auswahl der jeweils für das Ermitteln geeigneten elektrischen Größe erfolgt vorzugsweise abhängig von der mechanischen Ausgestaltung des Ventils und der elektrischen Ausgestaltung der Steuereinheit 11 und des Piezoaktors 10. Die oben genannten Laständerungen können gegebenenfalls z.B. aus dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung U, des elektrischen Stroms I, der elektrischen Ladung Q, der elektrischen Energie oder der elektrischen Kapazität C oder aus dem Verlauf der elektrischen Kapazität C abhängig von der elektrischen Spannung U ermittelt werden.
  • 6 zeigt mehrere zeitliche Verläufe eines Ansteuerzyklus der elektrischen Spannung U des Piezoaktors 10 für unterschiedliche elektrische Energien. Je größer die dem Piezoaktor 10 zugeführte elektrische Energie, desto höher ist die resultierende elektrische Spannung U des Piezoaktors 10. In den zeitlichen Verläufen der elektrischen Spannung U sind der Zeitpunkt t_IS der Überwindung des Leerhubs IS, die zugehörige Leerhubspannung U_IS, der Zeitpunkt t_VO des Öffnens des Steuerventils 7, die zugehörige Steuerventilöffnungsspannung U_VO, ein Zeitpunkt t_NO eines Beginns eines Bewegens der Ventilnadel 5 aus ihrer Schließstellung heraus, eine zugehörige Ventilöffnungsspannung U_NO, ein Zeitpunkt t_NL eines Anschlags der Ventilnadel 5 gegen eine Hubbegrenzung 17 der Ventilnadel 5 und eine zugehörige Ventilnadelanschlagspannung U_NL gekennzeichnet. Abhängig von der Ausgestaltung des Ventils kann gegebenenfalls auch ein Zeitpunkt und eine zugehörige elektrische Spannung für ein Bewegen der Ventilnadel 5 in die Schließstellung hinein ermittelbar sein, wenn eine dadurch verursachte Änderung des Fluiddrucks in dem Steuerraum 6 noch auf den Piezoaktor 10 wirken kann, z.B. weil der Leerhub IS nicht vorhanden ist.
  • 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern des Ventils. Dieses Verfahren ist beispielsweise als ein Programm in der Steuereinheit 11 ausgebildet und wird von dieser ausgeführt. Das Verfahren beginnt in einem Schritt S21. In einem Schritt S23 wird dem Ventil bzw. dem Piezoaktor 10 eine der elektrischen Größen zugeführt oder entnommen.
  • In einem Schritt S25 wird überprüft, in welchem Betriebsbereich BB das Ventil betrieben wird. In einem ersten Betriebsbereich BB1 kann eine Rückwirkung der Beschleunigung der Ventilnadel 5 über die entsprechende Änderung des Fluiddrucks in dem Steuerraum 6 auf den Piezoaktor 10 als Laständerung erkannt werden. Dazu ist beispielsweise eine Zeitdauer eines Ansteuerzyklus ausreichend lang, z.B. mindestens 0,6 Millisekunden, und der Fluiddruck in dem Steuerraum 6 ausreichend hoch, z.B. mindestens 400 bar.
  • In einem Schritt S27 wird ein erster Wert mindestens einer der elektrischen Größen des Piezoaktors 10 oder ein erster Zeitpunkt ermittelt. Dieser erste Wert bzw. erste Zeitpunkt ist einer ersten Laständerung an dem Piezoaktor 10 zugeordnet, die z.B. verursacht ist durch das Überwinden des Leerhubs IS des Piezoaktors 10, durch ein Anschlagen des Schließkörpers 12 des Steuerventils 7 gegen die Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 oder das Ablösen des Schließkörpers 12 von dieser oder durch das Abheben des Schließkörpers 12 von einem Sitz 13 des Steuerventils 7 oder ein Aufsetzen des Schließkörpers 12 auf diesen. Beispielsweise wird der Zeitpunkt t_IS der Überwindung des Leerhubs IS ermittelt.
  • In einem Schritt S29 wird entsprechend ein zweiter Wert mindestens einer der elektrischen Größen des Piezoaktors 10 oder ein zweiter Zeitpunkt ermittelt. Dieser zweite Wert bzw. zweite Zeitpunkt ist einer zweiten Laständerung an dem Piezoaktor 10 zugeordnet, die z.B. verursacht ist durch ein Verlassen der Schließstellung der Ventilnadel 5 oder durch ein Anschlagen der Ventilnadel 5 gegen die Hubbegrenzung 17 der Ventilnadel 5. Gegebenenfalls kann auch das Einnehmen der Schließstellung der Ventilnadel 5 als Laständerung an dem Piezoaktor 10 erkannt werden, wie oben bereits erläutert wurde. Beispielsweise wird der Zeitpunkt t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 an die Hubbegrenzung 17 der Ventilnadel 5 ermittelt.
  • In einem Schritt S31 wird überprüft, ob der Zeitpunkt t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 etwa gleich einem Sollwert t_NL_SP des Zeitpunkts t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 ist. Ist die Bedingung nicht erfüllt, dann wird in einem Schritt S33 mindestens ein Parameter für das Zuführen oder Entnehmen der elektrischen Größe für einen nachfolgenden Ansteuerzyklus angepasst und das Verfahren in dem Schritt S23 fortgeführt. Ist die Bedingung in dem Schritt S31 jedoch erfüllt, dann wird in einem Schritt S35 mindestens eine erste Betriebsbedingung ermittelt, z.B. eine Temperatur T, die bevorzugt charakteristisch ist für eine Temperatur des Ventils, z.B. eine Temperatur der Brennkraftmaschine oder eine Temperatur des Piezoaktors 10 oder eine Temperatur des Fluids, z.B. des Dieselkraftstoffs. Auch der vorherrschende Flu iddruck kann eine Betriebsbedingung sein. In einem Schritt S37 wird dem erfassten Zeitpunkt t_IS der Überwindung des Leerhubs IS die mindestens eine erste Betriebsbedingung, z.B. die Temperatur T, zugeordnet und gespeichert. Das Verfahren wird für den nachfolgenden Ansteuerzyklus in dem Schritt S23 fortgeführt.
  • Liegt in dem Schritt S25 jedoch ein zweiter Betriebsbereich BB2 vor, dann wird das Verfahren anstatt in dem Schritt S27 in einem Schritt S39 fortgeführt. In dem zweiten Betriebsbereich BB2 muss der zweite Wert bzw. der zweite Zeitpunkt nicht ermittelbar sein. In dem Schritt S39 wird entsprechend dem Schritt S27 der erste Wert bzw. der erste Zeitpunkt ermittelt. In einem Schritt S41 wird entsprechend dem Schritt S35 mindestens eine aktuell vorherrschende zweite Betriebsbedingung ermittelt, z.B. die Temperatur T. In einem Schritt S43 wird abhängig von mindestens einem zuvor gespeicherten ersten Wert bzw. ersten Zeitpunkt, z.B. dem Zeitpunkt t_IS der Überwindung des Leerhubs IS, ein Sollwert t_IS_SP des Zeitpunkts t_IS der Überwindung des Leerhubs IS ermittelt. Dabei wird bevorzugt derjenige gespeicherte Zeitpunkt t_IS(T) der Überwindung des Leerhubs IS genutzt, dessen zugeordnete mindestens eine erste Betriebsbedingung der aktuell vorherrschenden mindestens einen zweiten Betriebsbedingung entspricht, also z.B. die Temperatur T etwa übereinstimmt. Gegebenenfalls kann der Sollwert t_IS_SP des Zeitpunkts t_IS der Überwindung des Leerhubs IS auch durch Interpolation oder Extrapolation von gespeicherten ersten Werten bzw. ersten Zeitpunkten unterschiedlicher Betriebsbedingungen ermittelt werden.
  • In einem Schritt S45 wird überprüft, ob der ermittelte Zeitpunkt t_IS der Überwindung des Leerhubs IS etwa gleich dem Sollwert t_IS_SP des Zeitpunkts t_IS der Überwindung des Leerhubs IS ist. Ist die Bedingung nicht erfüllt, dann wird in einem Schritt S47 entsprechend dem Schritt S33 mindestens ein Parameter für das Zuführen oder Entnehmen der elektrischen Größe für den nachfolgenden Ansteuerzyklus angepasst und das Verfahren in dem Schritt S23 fortgeführt. Ist die Bedingung in dem Schritt S45 jedoch erfüllt, dann wird das Verfahren ebenfalls in dem Schritt S23 fortgeführt.
  • In dem ersten Betriebsbereich BB1 wird der Zeitpunkt t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 auf den Sollwert t_NL_SP des Zeitpunkts t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 geregelt. Der Sollwert t_NL_SP des Zeitpunkts t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 ist vorzugsweise geeignet so vorgegeben, dass die vorgegebene Fluidmenge zugemessen wird, wenn die Bedingung in dem Schritt S31 erfüllt ist, der Zeitpunkt t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 also ausgeregelt ist. In dem zweiten Betriebsbereich BB2 wird der Zeitpunkt t_IS der Überwindung des Leerhubs IS auf den Sollwert t_IS_SP des Zeitpunkts t_IS der Überwindung des Leerhubs IS geregelt. Eine Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt t_IS der Überwindung des Leerhubs IS und dem Zeitpunkt t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 ist im Allgemeinen nicht konstant und kann abhängig sein von der mindestens einen Betriebsbedingung sowie von mechanischen Toleranzen und Verschleiß des Ventils. Durch das Ermitteln und Speichern des Zeitpunkts t_IS der Überwindung des Leerhubs IS in dem ersten Betriebsbereich BB1 und durch das Ermitteln des Sollwerts t_IS_SP des Zeitpunkts t_IS der Überwindung des Leerhubs IS abhängig von diesem in dem zweiten Betriebsbereich BB2 kann das Ventil sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Betriebsbereich BB1, BB2 geregelt betrieben werden. Das Ventil kann so die vorgegebene Fluidmenge zuverlässig zumessen.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Ansteuern eines Ventils mit – einem Piezoaktor (10), der mit einem Steuerventil (7) koppelbar ist und der abhängig von einer Ansteuerung des Piezoaktors (10) das Steuerventil (7) öffnet oder schließt und durch das Steuerventil (7) ein Fluiddruck in einem Steuerraum (6) variierbar ist, und – eine Ventilnadel (5), die abhängig von dem Fluiddruck in dem Steuerraum (6) aus einer Schließstellung heraus oder in die Schließstellung hinein bewegbar ist, bei dem – ein erster Wert einer elektrischen Größe des Piezoaktors (10) oder ein erster Zeitpunkt ermittelt wird, der einer ersten Laständerung an dem Piezoaktor (10) zugeordnet ist, die verursacht ist durch ein Überwinden eines Leerhubs (IS) des Piezoaktors (10), durch ein Anschlagen eines Schließkörpers (12) des Steuerventils (7) gegen eine Hubbegrenzung (15) des Steuerventils (7) oder ein Ablösen des Schließkörpers (12) von dieser oder durch ein Abheben des Schließkörpers (12) von einem Sitz (13) des Steuerventils (7) oder ein Aufsetzen des Schließkörpers (12) auf diesen, – in einem ersten Betriebsbereich (BB1) ein zweiter Wert der elektrischen Größe oder ein zweiter Zeitpunkt ermittelt wird, der einer zweiten Laständerung an dem Piezoaktor (10) zugeordnet ist, die durch eine Änderung des Fluiddrucks in dem Steuerraum (6) aufgrund eines Beschleunigens der Ventilnadel (5) auslösbar ist, – in dem ersten Betriebsbereich (BB1) durch entsprechendes Ansteuern des Piezoaktors (10) der ermittelte zweite Wert oder der ermittelte zweite Zeitpunkt auf einen vorgegebenen zweiten Wert bzw. einen vorgegebenen zweiten Zeitpunkt geregelt wird, – in dem ersten Betriebsbereich (BB1) derjenige ermittelte erste Wert oder derjenige ermittelte erste Zeitpunkt gespeichert wird, der sich einstellt, wenn der ermittelte zweite Wert oder der ermittelte zweite Zeitpunkt auf den vorgegebenen zweiten Wert bzw. den vorgegebenen zweiten Zeitpunkt ausgeregelt ist, und – in einem zweiten Betriebsbereich (BB2) durch entsprechendes Ansteuern des Piezoaktors (10) der ermittelte erste Wert oder der ermittelte erste Zeitpunkt auf einen vorgegebenen ersten Wert bzw. einen vorgegebenen ersten Zeitpunkt geregelt wird, der abhängig von dem gespeicherten ersten Wert bzw. dem gespeicherten ersten Zeitpunkt vorgegeben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – in dem ersten Betriebsbereich (BB1) dem ermittelten ersten Wert oder dem ermittelten ersten Zeitpunkt mindestens ein Betriebskennwert zugeordnet wird, der charakteristisch ist für vorherrschende erste Betriebsbedingungen des Ventils beim Ermitteln des ersten Werts bzw. des ersten Zeitpunkts, und der erste Wert bzw. der erste Zeitpunkt zugeordnet zu dem mindestens einen Betriebskennwert gespeichert wird und – in dem zweiten Betriebsbereich (BB2) der vorgegebene erste Wert bzw. der vorgegebene erste Zeitpunkt abhängig von dem mindestens einen Betriebskennwert von aktuell vorherrschenden zweiten Betriebsbedingungen vorgegeben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der mindestens eine Betriebskennwert eine Temperatur (T) oder der Fluiddruck ist.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die zweite Laständerung verursacht ist durch ein Verlassen der Schließstellung der Ventilnadel (5) oder durch ein An schlagen der Ventilnadel (5) gegen eine Hubbegrenzung (17) der Ventilnadel (5) ist.
  5. Vorrichtung zum Ansteuern eines Ventils mit – einem Piezoaktor (10), der mit einem Steuerventil (7) koppelbar ist und der abhängig von einer Ansteuerung des Piezoaktors (10) das Steuerventil (7) öffnet oder schließt und durch das Steuerventil (7) ein Fluiddruck in einem Steuerraum (6) variierbar ist, und – eine Ventilnadel (5), die abhängig von dem Fluiddruck in dem Steuerraum (6) aus einer Schließstellung heraus oder in die Schließstellung hinein bewegbar ist, die ausgebildet ist – zum Ermitteln eines ersten Werts einer elektrischen Größe des Piezoaktors (10) oder eines ersten Zeitpunkts, der einer ersten Laständerung an dem Piezoaktor (10) zugeordnet ist, die verursacht ist durch ein Überwinden eines Leerhubs (IS) des Piezoaktors (10), durch ein Anschlagen eines Schließkörpers (12) des Steuerventils (7) gegen eine Hubbegrenzung (15) des Steuerventils (7) oder ein Ablösen des Schließkörpers (12) von dieser oder durch ein Abheben des Schließkörpers (12) von einem Sitz (13) des Steuerventils (7) oder ein Aufsetzen des Schließkörpers (12) auf diesen, – zum Ermitteln eines zweiten Werts der elektrischen Größe oder eines zweiten Zeitpunkts in einem ersten Betriebsbereich (BB1), wobei der zweite Wert oder der zweite Zeitpunkt einer zweiten Laständerung an dem Piezoaktor (10) zugeordnet ist, die durch eine Änderung des Fluiddrucks in dem Steuerraum (6) auslösbar ist aufgrund eines Beschleunigens der Ventilnadel (5), – zum Regeln des ermittelten zweiten Werts oder des ermittelten zweiten Zeitpunkts auf einen vorgegebenen zweiten Wert bzw. einen vorgegebenen zweiten Zeitpunkt in dem ersten Be triebsbereich (BB1) durch entsprechendes Ansteuern des Piezoaktors (10), – zum Speichern desjenigen ermittelten ersten Werts oder desjenigen ermittelten ersten Zeitpunkts, der sich einstellt, wenn der ermittelte zweite Wert oder der ermittelte zweite Zeitpunkt auf den vorgegebenen zweiten Wert bzw. den vorgegebenen zweiten Zeitpunkt in dem ersten Betriebsbereich (BB1) ausgeregelt ist, und – zum Regeln des ermittelten ersten Werts oder des ermittelten ersten Zeitpunkts auf einen vorgegebenen ersten Wert bzw. einen vorgegebenen ersten Zeitpunkt in einem zweiten Betriebsbereich (BB2) durch entsprechendes Ansteuern des Piezoaktors (10), wobei der vorgegebene erste Wert bzw. der vorgegebene erste Zeitpunkt abhängig von dem gespeicherten ersten Wert bzw. dem gespeicherten ersten Zeitpunkt vorgegeben wird.
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